GPS测量误差因素分析与消除措施

GPS测量误差因素分析与消除措施

高大勇

中勘资源勘探科技股份有限公司

摘要：目前，科技的进步带动了诸多新技术的发展，GPS也不例外。因其优越性被广泛应用于各行各业中，尤其是工程建筑领域。然而，在实际的应用中也暴露出诸多问题，倘若人员没有按照规定操作就会导致GPS测量误差情况发生，进而严重影响工程整体质量。对此，技术人员应不断提高自身能力，加强理论学习，并将理论熟练应用到实际操作中，尽可能减少GPS测量误差。基于此，本文主要探讨GPS测量误差因素及解决措施，从不同角度展开分析，提出优化策略。

关键词：GPS测量误差；因素分析；消除策略；路径探析

引言：GPS定位技术是当今应用最广泛也是最普遍的新型技术之一，主要分为绝对定位与相对定位，而两种定位方式又是根据参考位置决定的。GPS技术的出现为各领域发展指明了方向，使其突破了传统发展局面，朝着智能化、现代化方向迈进。但由于GPS定位误差问题大大降低了工作质量，无法确保数据的准确性。因此，为了避免上述问题发生，应加强对GPS技术的优化力度，从而满足发展需求。

一、GPS定位技术主要概述

GPS具有高精度、全天候监测特点，由空间部分、用户设备和地面监测三大部分组合而成。之所以受到各领域的喜爱，是因为GPS地面监测系统能全程观测到分布均匀的卫星，同时，GPS的抗干扰性较强。在具体的应用中，首先确定好所要观测的参考点，之后根据用户设备追踪卫星，接收卫星发出信号。为了减少GPS的测量误差，可以采用数学模型等方式。

二、GPS测量误差原因分析

1、与卫星有关误差

GPS所接收的信息全部由卫星以编码形式传输，在具体的定位中，无论哪种观测，都需要卫星与地面监测点保持同步。虽然卫星上设置了相对精确的原子钟，但依旧无法避免误差产生。之所以产生误差是因为卫星星历，确定卫星空间位置是根据地面测量其运行轨道而定，误差大小取决于精度等方面。除此之外，还有相对论效应引起的误差，当卫星钟与接收设备不同步时，就会出现相对误差情况发生[1]。

2、传播途径有关误差

首先是电离层，电离层与地面的距离约为50-100km，气体分子长期处于活跃状态，受到太阳射线的影响产生强烈的电离反应，这时，电离层中出现大量的正离子与自由离子。当GPS信号穿过电离层时，与其中离子产生反映，无论是传播速度还是其他方面都会或多或少受到影响。其次，对流层，与电离层相比对流层的情况更加复杂，经过对流层的GPS信号会发生弯曲，导致GPS信号延迟。再者，多路径效应也是影响因素之一，一般会在观测站周边放置反射物，反射物发出的信号与GPS信号相遇后，直接影响GPS信号的准确性。

3、接收设备有关误差

石英钟因其高精准性被作为GPS信号的接收设备，理论上来讲石英钟出现误差的可能性小，但由于接受设备分辨误差能力不足，无法与天线中心位置始终保持一致。除此之外，一些监测机构并未设立多个观测点，仅仅以几个观测点接收数据为主。载波相位观测是目前新研究的技术之一，但接收设备只能检测到氛围内的信号，存在整周不定性问题。此外，卫星失锁后，需要重新对信号进行确定和搜集，但此时的整周数却与失锁前无异，致使数据失真[2]。

三、解决GPS测量误差路径分析

1、与卫星相关误差应对措施

卫星时钟在运行中难免会出现误差，随机性较大，基本误差范围在1ms以内，对于时钟误差主要解决办法有以下两种，分别为：钟差改正法与差分技术。在钟差改正法中首先会应用到IGS技术，GPS接收设备数据采样率密度大，而IGS技术的钟差与其相比更为密集。内维尔插值属于其一，根据每一次的插值效结果，不断优化各插值间的精度，如果还无法满足实际需求，就应考虑到在合适位置增加节点，直到满足全部条件为止。此外，牛顿多项式插值也能减少误差。差分技术是指两个不同的观测站观测同一目标或一个观测站观测两个不同目标，结合数据结果求差。例如：将GPS接收设备放置在某个观测站中，确定好坐标后，计算出观测站到卫星间的距离，得出差值后，再进行实时发送，在经过系统的完善后消除公共误差。

2、消除传播途径误差

在GPS信号向地面传输的过程中，会受到大气层折射影响，其中又被分为两种：电离层与对流层。而Klobuchar模型能全方面反映GPS信号穿过电离层的状态，与双频改正法不同的是，Klobuchar模型能为技术人员准确预报电离层延迟情况。计算方法有以下几个步骤：第一，计算出电离层穿刺点与地面用户站点间的夹角；第二，电离层穿刺点所应对的地面纬度；第三，所应对的地面经度；第四，与之应对的地磁纬度；第五，与电离层穿刺点所对应的地面时间。最后，整合上述数据计算倾斜因子。而双频改正法的计算步骤相对简略，只需了解载波频率与电子总量和观测数据等条件方可计算出误差。将双频改正法与Klobuchar模型进行对比可得，前者明显优于后者，Klobuchar模型容易受到外界因素影响，且数据质量不佳。在应用中，还要根据当前实际状况而定，不可盲目应用。众所周知，对流层作为大气层中密度最高距离地面最近的曾，是雨、雪等自然现象主要发生的一层。卫星处于远离地球的大气层中，GPS信号要想传输到地面监测站必须通过对流层，也无法避免对流层产生的影响。况且在对流层中尽管有不同的电磁波，但是这些电磁波的传播速度却是一致的，这就要求技术人员应使用更为精准的方法削弱对流层厌恶，主要会应用到数学模型，星历计算也是方法之一。结合星历计算与处理模式从而确定Bemese，不同方案得出结果稍有差异，所以必须选择合适的计算方法。

3、消除接收设备误差

接收设备在长期的运行中会出现较多故障，因此，技术人员应定期检查维修设备，延长设备的使用寿命。为了解决接收设备延迟误差问题，防止噪声掩盖真实信号，应从根本入手看，探究此类问题发生原因。经过研究讨论得知，设备误差原因是卫星仰角问题，误差并非一直是固定状态，会随着信号的强弱而作出动态变化。必要时应增设多个观测点，提高定位的精准度。通常来说，天线除了能接收到GPS信号之外，同样会接收到其他物体的反射信号，反射信号强度虽无法与GPS信号强度相比，但只要存在就一定会影响GPS信号。所以，在场地选择中也要综合考虑，尽量选择没有反射物的空旷场地，倘若无法避免，也要做好处理工作。总之，要想消除GPS测量误差最为重要的是提高技术人员的专业性，定期展开培训，要求各岗位人员能参与其中，共同探讨缩小误差的方法制定优化策略。同时，充分认识到GPS信号和卫星的运行是一个动态过程，总结卫星运行规律，找到误差易发生位置，做好风险的全面管控[3]。

结语

综上所述，对于GPS测量误差，应从多方面考虑像卫星钟误差、对流层和电离层延迟、接收设备故障等。而消除误差的方法也有很多种，具体应根据情况来定。此外，技术人员要加强对科学技术的应用，在原有的基础上大胆创新，提高自身创造力与创新能力，借助更为科学合理的技术解决误差问题。根据一定的理论知识，通过学习和总结，制定出更多的可行操作办法，为拓宽GPS应用范围提供技术支持。

参考文献：

[1]张然,陈学军,杨帆,彭肖.GPS测量中大气延时误差分析[J].宇航计测技术,2021,41(03):64-67.

[2]汤灿阳. 关于GPS高精度定位技术中多路径误差消除的研究[D].北京邮电大学,2020.DOI:10.26969.

[3]汪义勇.GPS测量误差的常见成因与应对方法[J].工程技术研究,2020,5(08):261-262.10.19537.